java集合（一）—数据结构详解

程序员文章站 2022-04-25 16:07:45

...

当我们要处理一串数据的时候，相比较c++和c中的数组和指针，在Java中我们更为常用的是ArrayList、HashMap等集合数据结构。c语言对指针的支持成就了他的深度，而Java中多种多样的包装类成就了他的广度。在java中，我们一般将List、Map、Set等数据结构通归为集合数据结构，这些类都存在于集合类库中。

（一）集合接口

1.集合的接口和实现分离

与其他的数据结构类库相似的，java的集合类库也采用了这种接口和实现分离的方法。

这种方法的好处是不言而喻的。当你要实例化一个队列时，如果你想去选择链式结构或者循环数组或其他不同的实现方法，只需为集合接口引用不同的实现类即可。

Queue<String> qe1 = new LinkedList<>();
//LinkedList是链表实现队列Queue<String> qe2 = new ArrayDeque<>();
//ArrayDeque是循环数组实现队列

同样是Queue的实现类，但采用了不同的方式。

2.Collection接口

在集合类库中，最基本的接口是Collection接口。

Collection接口可以理解成集合类库中的树根，所有的其他类都是从之演变出来的。因为Colleaction是一个泛型接口，所以在这个泛型接口中java类库的设计者添加了许多的方法，所有的实现类都必须去实现这些方法。

int size()
//返回此 collection 中的元素数。
//如果此 collection 包含的元素大于 Integer.MAX_VALUE，则返回 Integer.MAX_VALUE。boolean isEmpty()
//如果此 collection 不包含元素，则返回 true。 boolean contains(Object o)
//当且仅当此 collection 至少包含一个满足 (o==null ? e==null : o.equals(e)) 的元素 e 时，返回 true。 Iterator<E> iterator()
//返回在此 collection 的元素上进行迭代的迭代器。//关于元素返回的顺序没有任何保证,除非此 collection 是某个能提供保证顺序的类实例。 Object[] toArray()
//返回包含此 collection 中所有元素的数组。//如果 collection 对其迭代器返回的元素顺序做出了某些保证，那么此方法必须以相同的顺序返回这些元素。 
//返回的数组将是“安全的”，因为此 collection 并不维护对返回数组的任何引用。//调用者可以随意修改返回的数组。 
//此方法充当了基于数组的 API 与基于 collection 的 API 之间的桥梁。 boolean add(E e)
//确保此 collection 包含指定的元素。如果此 collection 由于调用而发生更改，则返回 true。
//如果此 collection 不允许有重复元素，并且已经包含了指定的元素，则返回 false。boolean remove(Object o)
//如果此 collection 包含一个或多个满足 (o==null ? e==null : o.equals(e)) 的元素 e，则移除这样的元素。
//如果此 collection 包含指定的元素（或者此 collection 由于调用而发生更改），则返回 true 。 boolean containsAll(Collection<?> c)
//如果此 collection 包含指定 collection 中的所有元素，则返回 true。 boolean addAll(Collection<? extends E> c)
//将指定 collection 中的所有元素都添加到此 collection 中。
//如果在进行此操作的同时修改指定的 collection，那么此操作行为是不确定的。boolean removeAll(Collection<?> c)
//移除此 collection 中那些也包含在指定 collection 中的所有元素。
//此调用返回后，collection 中将不包含任何与指定 collection 相同的元素。 void clear()
//移除此 collection 中的所有元素。boolean retainAll(Collection<?> c)
//仅保留此 collection 中那些也包含在指定 collection 的元素。
//移除此 collection 中未包含在指定 collection 中的所有元素。

以上这些方法将会在所有的集合数据结构中出现，记住他们的作用，无论是哪个数据结构，只要调用他们准没有错。除此之外真的要赞叹java API编写者的水平，方法功能的介绍用最少的语言来说的滴水不漏，这种超强的概括性，水平之高可见一斑。尤其像remove中判断的方式，书写简洁美观，包含存在null的情况，真的是非常值得学习。（特殊的，表不是从Collection接口实现的，而是Map接口）

（二）Iterator

在创建Collection接口的同时，集合类库也创建了Iterator接口，这个接口的对象是一个迭代器，他会依次遍历集合中所有的元素。在开始的时候，如果集合是有序的，那么通过Collection接口的iterator方法返回的迭代器对象会在集合起始位置。

Iterator<Integer> it = new Iterator<>();
Iterator<Integer> it = queue.iterator();
//通过队列中实现的iterator方法返回迭代器

Iterator对象工作的原理是把每个集合中的对象看作一个块，it在这些块之间跳跃。在开始的时候it在第一个块前（如果是有序集），调用一次next()方法it就会跳到下个块之后，并且跳完之后返回在it前面的块。如果在开始直接it.remove()会报错，因为remove的原理是删除在it之前的这个块，所以需要先进行next()操作。同理，连续remove两次也是会报错的。

Queue<Integer> qe1 = new LinkedList<>();

qe1.add(null);  
qe1.add(1);
qe1.add(20);
System.out.println(qe1);Iterator<Integer> it = qe1.iterator();
//-------------error-------------it.reomve();  
//不能直接调用remove()，这时it没有跳过块，it之前没有内容
//-------------------------------
//-------------error-------------it.next();
it.remove();
it.reomve();  
//不能连续调用remove()，it之前的块已被删除，再调用报错
//-------------------------------
//--------------ok---------------it.next();
it.remove();
it.next();
it.remove();
//-------------------------------System.out.println(qe1);
//输出：//[20]

上面的例子中值得注意的一点是qe1.add(null);是完全成立的。基本上所有的集合可以显式的把null作为一个对象传入（除了特殊的集合，比如PriorityQueue…等）。这样我们也就可以理解API中的：

if(o==null ? e==null : o.equals(e)) //如果集合中有和o相同的e

（三）链表 LinkedList

在数组以及动态的ArrayList数组存在删除节点代价大的问题后，链表的出现解决了这个问题。在java中所有的链表其实都是双向的，包含一个前驱结点的引用，存放的对象，指向后一个结点的引用。

List<String> letter = new LinkedList<>(); //链表

1.ListIterator迭代器

当时用链表的时候也就意味着我们需要进行大量的增添和删除功能。对于链表这种有序集合，Iterator迭代器无疑是描述位置最好的类，但是在Iterator中并没有add方法（因为有很多无序集不需要在特定的位置增添元素）所以我们从Iterator中实现了一个子类来进行增删操作——ListIterator。

package Collection;import java.util.LinkedList;import java.util.List;import java.util.ListIterator;/**
 * 
 * @author QuinnNorris
 * 链表LinkedList的操作，以及ListIterator
 */public class LinkedListE {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {        // TODO Auto-generated method stub

        List<String> letter = new LinkedList<>();

        letter.add(0, "a"); //在索引为0的位置添加元素
        letter.add("b");
        letter.add("c");
        letter.add("d");

        ListIterator li = letter.listIterator(2);//在第3个元素“c”（索引为2）之前放置迭代器
        li.previous();//迭代器向前遍历
        li.remove();//删除刚刚跳过的元素“b”

        li.next();//迭代器向后遍历
        li.remove();//删除刚刚跳过的元素“c”

        li.next();//迭代器向后遍历
        li.set("e");//将刚刚跳过的元素“d”重新设置为“e”

        System.out.println(li.nextIndex());//输出： 2
        System.out.println(li.previousIndex());//输出：1

        System.out.println(letter);//输出：[a,e]

        letter.get(0);//可以使用，但是不要这样做
    }

}

ListIterator提供了向前遍历元素的方法previous()，并且提供了让人耳目一新的方法set()。set这个方法可以重新设置刚刚跳过的那个节点内容，这个方法有些特殊之处，我们以后还会多次用到。

2.链表中的get，set方法

需要注意的是，如果你在一个链表中经常去调用get()方法，那么有可能你已经在一条错误的道路上了。get方法的实现效率非常差，如果不是一条增删需求多于查询需求的表，那么是时候该考虑考虑使用其他的表了。

（四）动态数组列表 ArrayList

在上面链表中不适用的set和get方法在ArrayList中是非常有用的。这个类也实现了List接口。这个列表可能是我们用的相当多的一个列表，在不需要同步的情况下，ArrayList是我们最可靠的小帮手。

（五）散列集 HashSet

如果我们只是要将一些元素存放到集合之中，而无须关心他们的次序，那么我们可以采用散列集来存放这些元素，它可以快速的查找到元素，缺点在于无法控制顺序。

1.散列表原理

HashTable是非常出名的数据结构，它的存放对象的原理大概是这样的：

将每个对象设置一个散列码（有的通过HashCode()方法）。

实现许多条链表数组，将每条这样的数组称为一个桶（bucket）。

将对象的散列码与桶的总数取余，得到的余数就是保存这个对象的桶的索引。

将这个对象放入这个桶中，如果这个桶此时无对象，则他作为第一个节点，否则跟在最后一个节点后面

如果这个桶被占满，发生散列冲突。java会先尝试扩充链表，如果不行，一般采用链表法，继续向后延展。

2.散列表中一些预防措施

为了在不浪费空间的情况下尽可能的优化散列表的性能，我们的初始的桶数就要进行估算，但是事实上我们没法估算…。在java标准类库中采用了默认值为16的桶数。
除此之外，如果我们在使用的过程中，散列表过于满我们就需要对散列表进行再散列。再散列的方法很简单，把2的幂数加一，就是以32为桶数重新创建一个散列表，将原来各个桶中元素全部重新计算。那么我们在什么时候需要再散列呢？在散列表中存在一个装填因子，默认它的值为0.75。也就是说，如果原来的散列表被装满了75%以上时，这个散列表将会被再散列。

3.HashSet

package Collection;import java.util.HashSet;import java.util.Set;/**
 * 
 * @author QuinnNorris
 * 散列集HashSet,要理解存放方法,实际应用中无特别之处
 */public class HashSetE {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {        // TODO Auto-generated method stub

        Set<String> hs = new HashSet<>();
        hs.add("master");

        Set<String> sub_hs = new HashSet<>();
        sub_hs.add("sub");

        hs.addAll(sub_hs);//将另一个集合添加进来

        System.out.println(hs);//输出 [sub, master]
    }

}

散列集HashSet，要理解存放方法，实际应用中无特别之处。如果不需要索引，可用这种集合存放元素。

（六）树集 TreeSet

TreeSet和HashSet很像，但是TreeSet却是一种有序集合。
正如其名，树集是一种树，它将插入这个集合的每个元素都按照一定的规律来排序比较，最后在循环输出的时候，树集输出的内容是有一定顺序的。也正是因为这个原因，插入树集的元素是必须能比较的，详细的说，所有插入树集的元素都要实现Comparable接口，否则会报错，这也是能比较的一个前提。

1.Comparable接口

我们已经知道，这个接口是插入树集前必须要实现的。Comparable接口定义了一个方法：

public interface Comparable<T>
{    int compareTo(T other);
}

compareTo方法返回的是一个int类型的数字，如果这个数字大于0，则说明排序时对象在参数之前，反之在参数之后。在集合中不会出现等于0的情况，毕竟集合是具有单一性，不能一个元素重复存在。

2.自定义Comparator接口

毕竟我们写的类不会自己附带一个Comparable接口的实现，那么很多时候，我们需要披挂上阵自己来定义比较的方法。我们可以创建一个Comparator实现类，在类中实现compare方法。请注意，我们手动实现的接口是Comparator而不是Comparable。更好的做法是我们将这个自定的类作为一个参数传入TreeSet的初始化语句中。

ItemComparator comp = new ItemComparator();
//ItemComparator是自己写的Comparable的实现类Set<String> ts = new TreeSet<String>(comp);
//将实例comp作为参数传入，TreeSet获得比较方法

3.匿名内部类

上面的自定义方法固然好，但是那并不是最简洁的写法，在这种情况下，匿名内部类真的起到了非常好的效果。只要你知道这里的参数是一个实现了compare方法的类对象，你就不会因为内部类的写法而感到很难读懂。

Set<Tree> ts = new TreeSet<Tree>(new 
    Comparator<Tree>(){        
    public int compare(Tree a,Tree b){            
    return a.index-b.index;
        }
    });

Tree是我们自己定义的一个类，自然没有Comparable接口的实现。所以我们在这里实现一下Comparator，采用的是匿名内部类的方法。事实上，Comparator接口还有equals方法，但是一般的情况下我们并不用去管它。

4.TreeSet实现的其他接口

TreeSet本身没有什么更多的便捷方法，但是它实现了很多接口，我们既然要看就看得透彻一些，来把这些接口也学习一下。

SortedSet<String> ts = new TreeSet<>();
//SortedSet接口Comparator<? super E> comparator()
// 返回对此 set 中的元素进行排序的比较器。如果此 set 使用其元素的自然顺序，则返回 null。E first()
//返回此 set 中当前第一个（最低）元素。 E last()
//返回此 set 中当前最后一个（最高）元素。 
NavigableSet<String> ts = new TreeSet<>();
//NavigableSet接口ceiling(E e) 
//返回此 set 中大于等于给定元素的最小元素；如果不存在这样的元素，则返回 null。 Iterator<E> descendingIterator() 
//以降序返回在此 set 的元素上进行迭代的迭代器。 

 E floor(E e) 
//返回此 set 中小于等于给定元素的最大元素；如果不存在这样的元素，则返回 null。 

 E higher(E e) 
//返回此 set 中严格大于给定元素的最小元素；如果不存在这样的元素，则返回 null。 

 Iterator<E> iterator() 
//以升序返回在此 set 的元素上进行迭代的迭代器。 

 E lower(E e) 
//返回此 set 中严格小于给定元素的最大元素；如果不存在这样的元素，则返回 null。 

 E pollFirst() 
//获取并移除第一个（最低）元素；如果此 set 为空，则返回 null。 

 E pollLast() 
//获取并移除最后一个（最高）元素；如果此 set 为空，则返回 null。

实际上，NavigableSet实现了SortedSet，如果想要使用上面的方法用NaviagableSet引用即可。

（七）双端队列 ArrayDeque

顾名思义，有两个端头的队列就叫做双端队列，而deque的含义也正是“double ended queue”。双端队列可以在两端进行增删元素操作，但是不能在队列中间添加元素。

在java类库中，Deque<T>实现了Queue接口，而ArrayDeque实现了Deque接口。

package Collection;import java.util.ArrayDeque;import java.util.Deque;/**
 * 
 * @author QuinnNorris
 * 双端队列ArrayDeque的基本操作
 */public class ArrayDequeE {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {        // TODO Auto-generated method stub

        Deque<String> ad = new ArrayDeque<>();//默认构造一个大小为16的双端队列

        ad.add("a");//将一个对象插入双端队列的末尾
        ad.addFirst("b");//将一个对象插入双端队列的头部
        ad.addLast("c");//将一个对象插入双端队列的末尾

        String first = ad.pollFirst();//获取并移除双端队列的第一个元素，pollLast()功能相反

        String second = ad.getLast();//获取双端队列的最后一个元素，getFrist()功能相反

    }
}

这个类的功能也很明确就是在头部尾部能够做文章，偶尔或许会用到吧。值得一提的是，因为这个实现类继承了很多队列的接口，所以ArrayDeque里面有很多功能相同的方法，我们看着用就可以，作用是差不多的。

（八）优先级队列 PriorityQueue

在操作系统中，CPU要处理很多进程任务，有个管理这些进程的算法就叫做优先级队列算法。java中的优先级队列和这个很像。在优先级队列中，元素只要add进去就不用管了，因为这个队列就是一个堆（heap），实质上是一个AVL二叉树。在这个二叉树中他总是按照compareTo方法将元素排序，优先级低的放在前面。

package Collection;import java.util.PriorityQueue;import java.util.Queue;/**
 * 
 * @author QuinnNorris
 * 优先级队列PriorityQueue基本用法
 */public class PriorityQueueE {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {        // TODO Auto-generated method stub

        Queue<String> pq = new PriorityQueue<>();
        pq.add("a");
        pq.offer("b");//向优先级队列中添加一个对象，和add方法相同。
        pq.offer("c");

        String head = pq.peek();//获取此列表的头
        System.out.println(head);//输出： a

        System.out.println(pq);//输出：[a, b, c]

        pq.remove();//移除队列中优先级最小的元素,也就是第一个元素，也可用参数表示删除什么元素

        System.out.println(pq);//输出： [b, c]
    }

}

PriorityQueue的方法也是出奇的简单，只有几种特殊的方法，毕竟二叉树自己内部就进行了自动调整，不需要我们做太多。与TreeSet一样，我们也可以通过自己创建实现了Comaprator接口的类对象来控制排序的原则。在PriorityQueue中值得注意的是，如果remove方法没有参数，那么默认会删除根节点的元素（第一个元素）。

（九）散列表 HashMap

1.映射表

有的时候，我们要查找一个元素，但是并不想根据它的索引数字来查找。更有意义的，我们想用除了数字之外的类似String，Double，或者其他对象来查找这个值，那么这就涉及到一对数据。在java和很多语言中都实现了这种数据结构，通过一对键值对（key-value对）来存放数据，这就是映射表。

2.散列表特性

散列表和散列集的特性是基本差不多的，都是通过桶来储存。和散列集区别的是，它是根据键的hashcode来进行分配，散列集就比较简单。值得一提的是，键和值都可以为null，HashMap不是同步的，在多线程并发的情况下需要更多的保护操作。

package Collection;import java.util.HashMap;import java.util.Map;/**
 * 
 * @author QuinnNorris
 * HashMap的基本操作
 */public class HashMapE {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {        // TODO Auto-generated method stub

        Map<String,String> hm = new HashMap<>();
        Map<String,String> hmc = new HashMap<>(20,0.8F);
        //可以有两个参数，第一个表示桶的个数，第二个表示装填因子

        hm.put("key", "value");//存放键值对

        hm.get("key");//获取参数键的对应值，如果没有这个键则返回null

        hm.containsKey("key");//返回布尔值true;表示包含这个键

        hm.containsValue("value");//返回布尔值true，表示包含这个键

        hm.remove("key");//根据键来移除键值对

    }

}

在HashMap中，可以根据key来获取value的值，但是如果要反向根据value来获取key的值时则需要用到其他的手法，这个实现方法我们等到以后再讨论。

（十）树表 TreeMap

树表是java集合类库提供的第二种表，这种表的特点全写在名字上了，树+表。具体有以下这些特性：

树会根据Comparable类的compareTo方法作为默认比较器，将传入元素排序

可以自己实现Comaprator类的compare方法作为比较器，将对象传入参数中

比较的变量是键key不是值value

树表比散列表稍微慢一些，不会慢太多，在需要有序输出的时候要用树表

（十一）总结

一万多字的内容概括的介绍了所有在集合类库常用的几种类。这些类实现的原理不同，功能不同，大概可以分成List、Map、Set三大种，除了Map是Map接口实现的，其他的都是Collection接口实现的，在下面我们可以继续看一些集合框架，看java是怎么把这些类组合在一起的。

以上就是java集合（一）—数据结构详解的内容，更多相关内容请关注PHP中文网（www.php.cn）！

java集合（一）—数据结构详解

（一）集合接口

1.集合的接口和实现分离

2.Collection接口

（二）Iterator

（三）链表 LinkedList

1.ListIterator迭代器

2.链表中的get，set方法

（四）动态数组列表 ArrayList

（五）散列集 HashSet

1.散列表原理

2.散列表中一些预防措施

3.HashSet

（六）树集 TreeSet

1.Comparable接口

2.自定义Comparator接口

3.匿名内部类

4.TreeSet实现的其他接口

（七）双端队列 ArrayDeque

（八）优先级队列 PriorityQueue

（九）散列表 HashMap

1.映射表

2.散列表特性

（十）树表 TreeMap

（十一）总结

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java集合（一）—数据结构详解

（一） 集合接口

1.集合的接口和实现分离

2.Collection接口

（二）Iterator

（三） 链表 LinkedList

1.ListIterator迭代器

2.链表中的get，set方法

（四） 动态数组列表 ArrayList

（五） 散列集 HashSet

1.散列表原理

2.散列表中一些预防措施

3.HashSet

（六） 树集 TreeSet

1.Comparable接口

2.自定义Comparator接口

3.匿名内部类

4.TreeSet实现的其他接口

（七） 双端队列 ArrayDeque

（八） 优先级队列 PriorityQueue

（九） 散列表 HashMap

1.映射表

2.散列表特性

（十） 树表 TreeMap

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（三）链表 LinkedList

（四）动态数组列表 ArrayList

（五）散列集 HashSet

（六）树集 TreeSet

（七）双端队列 ArrayDeque

（八）优先级队列 PriorityQueue

（九）散列表 HashMap

（十）树表 TreeMap

（十一）总结